Segundo

El segundo (símbolo: s) es la unidad de tiempo en el Sistema Internacional de Unidades (SI), históricamente definido como 1⁄86400 de un día: este factor se deriva de la división del día primero en 24 horas, luego en 60 minutos y finalmente en 60 segundos cada uno (24 × 60 × 60 = 86400).

La definición actual y formal en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es más precisa:

El segundo [...] se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia cesio, Δ._Cs, la frecuencia de transición hiperfinada de estado-suelo inalterada del átomo de cesio 133, para ser 9192631770 cuando se expresa en la unidad Hz, que es igual a s⁻¹.

Esta definición actual se adoptó en 1967 cuando se hizo factible definir la segunda en función de las propiedades fundamentales de la naturaleza con relojes de cesio. Debido a que la velocidad de rotación de la Tierra varía y se está desacelerando ligeramente, se agrega un segundo bisiesto a intervalos irregulares a la hora civil para mantener los relojes sincronizados con la rotación de la Tierra.

Usos

Los relojes analógicos suelen tener sesenta marcas en sus caras, que representan segundos (y minutos), y una "manecilla de segundos" para marcar el paso del tiempo en segundos. Los relojes y relojes digitales a menudo tienen un contador de segundos de dos dígitos.

Los prefijos SI se combinan con frecuencia con la palabra segundo para indicar subdivisiones del segundo: milisegundos (milésimas), microsegundos (millonésimas), nanosegundos (milmillonésimas) y, a veces, unidades más pequeñas de un segundo. Los múltiplos de segundos generalmente se cuentan en horas y minutos. Aunque los prefijos SI también se pueden usar para formar múltiplos del segundo, como kilosegundos (miles de segundos), tales unidades rara vez se usan en la práctica. Una experiencia cotidiana con pequeñas fracciones de segundo es un microprocesador de 1 gigahercio que tiene un tiempo de ciclo de 1 nanosegundo. Las velocidades de obturación de la cámara a menudo se expresan en fracciones de segundo, como 1⁄30 segundo o 1⁄1000 segundo.

Las divisiones sexagesimales del día de un calendario basado en la observación astronómica existen desde el tercer milenio antes de Cristo, aunque no eran segundos como los conocemos hoy. Las pequeñas divisiones de tiempo no se podían medir en ese entonces, por lo que dichas divisiones se derivaban matemáticamente. Los primeros cronometradores que podían contar los segundos con precisión fueron los relojes de péndulo inventados en el siglo XVII. A partir de la década de 1950, los relojes atómicos se convirtieron en mejores cronometradores que la rotación de la Tierra y siguen marcando la pauta en la actualidad.

Relojes y hora solar

Un reloj mecánico, que no depende de medir la posición de rotación relativa de la Tierra, mantiene un tiempo uniforme llamado tiempo medio, dentro de cualquier precisión que le sea intrínseca. Eso significa que cada segundo, minuto y cualquier otra división de tiempo contada por el reloj tendrá la misma duración que cualquier otra división de tiempo idéntica. Pero un reloj de sol que mide la posición relativa del Sol en el cielo llamado tiempo aparente, no mantiene el tiempo uniforme. El tiempo marcado por un reloj de sol varía según la época del año, lo que significa que los segundos, minutos y cualquier otra división de tiempo tiene una duración diferente en diferentes épocas del año. La hora del día medida con el tiempo medio versus el tiempo aparente puede diferir hasta en 15 minutos, pero un solo día diferirá del siguiente solo en una pequeña cantidad; 15 minutos es una diferencia acumulada durante una parte del año. El efecto se debe principalmente a la oblicuidad del eje de la Tierra con respecto a su órbita alrededor del Sol.

La diferencia entre el tiempo solar aparente y el tiempo medio fue reconocida por los astrónomos desde la antigüedad, pero antes de la invención de los relojes mecánicos precisos a mediados del siglo XVII, los relojes de sol eran los únicos relojes confiables y el tiempo solar aparente era el único generalmente estándar aceptado.

Eventos y unidades de tiempo en segundos

Las fracciones de segundo generalmente se expresan en notación decimal, por ejemplo, 2,01 segundos o dos y una centésima de segundo. Los múltiplos de segundos generalmente se expresan como minutos y segundos, u horas, minutos y segundos de tiempo de reloj, separados por dos puntos, como 11:23:24 o 45:23 (esta última notación puede dar lugar a ambigüedad, porque la misma notación se utiliza para indicar las horas y los minutos). Rara vez tiene sentido expresar períodos de tiempo más largos, como horas o días, en segundos, porque son números extrañamente grandes. Para la unidad métrica de segundo, existen prefijos decimales que representan de 10⁻³⁰ a 10³⁰ segundos.

Algunas unidades comunes de tiempo en segundos son: un minuto son 60 segundos; una hora son 3600 segundos; un día son 86.400 segundos; una semana son 604.800 segundos; un año (que no sea bisiesto) es de 31.536.000 segundos; y un siglo (gregoriano) promedia 3.155.695.200 segundos; con todo lo anterior excluyendo cualquier posible segundo bisiesto.

Algunos eventos comunes en segundos son: una piedra cae alrededor de 4,9 metros desde el reposo en un segundo; un péndulo de aproximadamente un metro de longitud tiene una oscilación de un segundo, por lo que los relojes de péndulo tienen péndulos de aproximadamente un metro de largo; los velocistas humanos más rápidos corren 10 metros en un segundo; una ola de mar en aguas profundas viaja unos 23 metros en un segundo; el sonido viaja unos 343 metros en un segundo en el aire; La luz tarda 1,3 segundos en llegar a la Tierra desde la superficie de la Luna, una distancia de 384.400 kilómetros.

Otras unidades que incorporan segundos

Un segundo es directamente parte de otras unidades, como la frecuencia medida en hercios (segundos inversos o segundo⁻¹), la velocidad en metros por segundo y la aceleración en metros por segundo al cuadrado. La unidad del sistema métrico becquerel, una medida de desintegración radiactiva, se mide en segundos inversos. Aunque muchas unidades derivadas de las cosas cotidianas se informan en términos de unidades de tiempo más grandes, no en segundos, en última instancia se definen en términos del segundo SI; esto incluye el tiempo expresado en horas y minutos, la velocidad de un automóvil en kilómetros por hora o millas por hora, los kilovatios hora de uso de electricidad y la velocidad de un plato giratorio en rotaciones por minuto.

Además, la mayoría de las demás unidades básicas del SI se definen por su relación con el segundo: el metro se define estableciendo la velocidad de la luz (en el vacío) en 299 792 458 m/s, exactamente; las definiciones de las unidades básicas del SI kilogramo, amperio, kelvin y candela también dependen del segundo. La única unidad base cuya definición no depende del segundo es el mol, y solo dos de las 22 unidades derivadas nombradas, el radián y el estereorradián, tampoco dependen del segundo.

Estándares de cronometraje

Un conjunto de relojes atómicos en todo el mundo mide el tiempo por consenso: los relojes "votar" en la hora correcta, y todos los relojes de votación se orientan para estar de acuerdo con el consenso, que se llama Tiempo Atómico Internacional (TAI). TAI "garrapatas" segundos atómicos.

El tiempo civil se define de acuerdo con la rotación de la Tierra. El estándar internacional para el cronometraje es el Tiempo Universal Coordinado (UTC). Esta escala de tiempo "marcas" los mismos segundos atómicos que TAI, pero inserta u omite los segundos intercalares según sea necesario para corregir las variaciones en la velocidad de rotación de la Tierra.

Una escala de tiempo en la que los segundos no son exactamente iguales a los segundos atómicos es UT1, una forma de tiempo universal. UT1 se define por la rotación de la Tierra con respecto al Sol y no contiene segundos intercalares. UT1 siempre difiere de UTC por menos de un segundo.

Reloj de celosía óptica

Si bien aún no forman parte de ningún estándar de cronometraje, ahora existen relojes de celosía óptica con frecuencias en el espectro de luz visible y son los cronometradores más precisos de todos. Un reloj de estroncio con una frecuencia de 430 THz, en el rango rojo de la luz visible, mantuvo durante la década de 2010 el récord de precisión: ganará o perderá menos de un segundo en 15 000 millones de años, más que la edad estimada del universo. Tal reloj puede medir un cambio en su elevación de tan solo 2 cm por el cambio en su velocidad debido a la dilatación del tiempo gravitacional.

Historia de la definición

Solo ha habido tres definiciones del segundo: como una fracción del día, como una fracción de un año extrapolado y como la frecuencia de microondas de un reloj atómico de cesio, cada una de las cuales ha realizado una división sexagesimal del día. de los antiguos calendarios astronómicos.

Divisiones sexagesimales de tiempo y día del calendario

Las civilizaciones del período clásico y anteriores crearon divisiones del calendario, así como arcos que usaban un sistema de conteo sexagesimal, por lo que en ese momento el segundo era una subdivisión sexagesimal del día (antiguo segundo = día/60×60), no de la hora como el segundo moderno (= hora/60×60). Los relojes de sol y de agua se encontraban entre los primeros dispositivos de cronometraje, y las unidades de tiempo se medían en grados de arco. También se utilizaron unidades de tiempo conceptuales más pequeñas que las realizables en los relojes de sol.

Hay referencias a 'segundo' como parte de un mes lunar en los escritos de los filósofos naturales de la Edad Media, que eran subdivisiones matemáticas que no podían medirse mecánicamente.

Fracción del día solar

Los primeros relojes mecánicos, que aparecieron a partir del siglo XIV, tenían pantallas que dividían la hora en mitades, tercios, cuartos y, a veces, incluso en 12 partes, pero nunca en 60. De hecho, la hora no se dividía comúnmente en 60. minutos ya que no era uniforme en duración. No era práctico para los cronometradores considerar los minutos hasta que aparecieron los primeros relojes mecánicos que mostraban minutos a fines del siglo XVI. Los relojes mecánicos mantenían el tiempo medio, a diferencia del tiempo aparente que mostraban los relojes de sol. En ese momento, las divisiones sexagesimales del tiempo estaban bien establecidas en Europa.

Los primeros relojes que mostraban segundos aparecieron durante la última mitad del siglo XVI. El segundo se volvió medible con precisión con el desarrollo de los relojes mecánicos. El primer reloj accionado por resorte con un segundero que marcaba los segundos es un reloj sin firmar que representa a Orfeo en la colección Fremersdorf, fechado entre 1560 y 1570. Durante el tercer cuarto del siglo XVI, Taqi al-Din construyó un reloj con marcas cada 1/5 de minuto. En 1579, Jost Bürgi construyó un reloj para Guillermo de Hesse que marcaba los segundos. En 1581, Tycho Brahe rediseñó relojes que mostraban solo minutos en su observatorio para que también mostraran segundos, aunque esos segundos no eran precisos. En 1587, Tycho se quejó de que sus cuatro relojes diferían por más o menos cuatro segundos.

En 1656, el científico holandés Christiaan Huygens inventó el primer reloj de péndulo. Tenía una longitud de péndulo de poco menos de un metro que le daba una oscilación de un segundo y un escape que marcaba cada segundo. Fue el primer reloj que podía medir con precisión el tiempo en segundos. En la década de 1730, 80 años después, los cronómetros marítimos de John Harrison podían mantener la hora con una precisión de un segundo en 100 días.

En 1832, Gauss propuso usar el segundo como la unidad base de tiempo en su sistema de unidades milímetro-miligramo-segundo. La Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (BAAS) en 1862 declaró que "Todos los hombres de ciencia están de acuerdo en utilizar el segundo del tiempo solar medio como unidad de tiempo". BAAS propuso formalmente el sistema CGS en 1874, aunque este sistema fue reemplazado gradualmente durante los siguientes 70 años por unidades MKS. Tanto el sistema CGS como el MKS usaban el mismo segundo como unidad base de tiempo. MKS fue adoptado internacionalmente durante la década de 1940, definiendo el segundo como 1⁄86,400 de un día solar medio.

Fracción de un año de efemérides

En algún momento a fines de la década de 1940, los relojes osciladores de cristal de cuarzo con una frecuencia operativa de ~100 kHz avanzaron para mantener el tiempo con una precisión superior a 1 parte en 10⁸ durante un período operativo de un día. Se hizo evidente que un consenso de tales relojes marcaba mejor el tiempo que la rotación de la Tierra. Los metrólogos también sabían que la órbita de la Tierra alrededor del Sol (un año) era mucho más estable que la rotación de la Tierra. Esto llevó a propuestas ya en 1950 para definir el segundo como una fracción de año.

El movimiento de la Tierra se describió en las Tablas del Sol de Newcomb (1895), que proporcionaban una fórmula para estimar el movimiento del Sol en relación con la época de 1900 basándose en observaciones astronómicas realizadas entre 1750 y 1892. Esto resultó en la adopción de una escala de tiempo de efemérides expresada en unidades del año sideral en esa época por la IAU en 1952. Esta escala de tiempo extrapolada pone las posiciones observadas de los cuerpos celestes de acuerdo con las teorías dinámicas newtonianas de su movimiento. En 1955, el año tropical, considerado más fundamental que el año sideral, fue elegido por la IAU como unidad de tiempo. El año tropical en la definición no se midió sino que se calculó a partir de una fórmula que describe un año tropical medio que disminuyó linealmente con el tiempo.

En 1956, el segundo se redefinió en términos de un año relativo a esa época. El segundo se definió así como "la fracción 1⁄31,556,925.9747 del año tropical para el 0 de enero de 1900 a las 12 horas tiempo de efemérides". Esta definición fue adoptada como parte del Sistema Internacional de Unidades en 1960.

"Atómico" segundo

Incluso los mejores relojes mecánicos, eléctricos motorizados y basados en cristal de cuarzo desarrollan discrepancias debido a las condiciones ambientales; Mucho mejor para el cronometraje es la "vibración" natural y exacta. en un átomo energizado. La frecuencia de vibración (es decir, la radiación) es muy específica según el tipo de átomo y cómo se excita. Desde 1967, el segundo se define exactamente como "la duración de 9.192.631.770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio-133". Esta duración de un segundo se seleccionó para que correspondiera exactamente a la duración del segundo de las efemérides previamente definido. Los relojes atómicos usan esa frecuencia para medir segundos contando ciclos por segundo a esa frecuencia. La radiación de este tipo es uno de los fenómenos más estables y reproducibles de la naturaleza. La generación actual de relojes atómicos tiene una precisión de un segundo en unos cientos de millones de años. Desde 1967, los relojes atómicos basados en átomos distintos del cesio-133 se han desarrollado con una precisión aumentada por un factor de 100. Por lo tanto, se planea una nueva definición del segundo.

Los relojes atómicos ahora establecen la duración de un segundo y el tiempo estándar para el mundo.

Mesa

Evolución de la Segunda
Decisiones del CIPM	Resolución de la CGPM	Información
Que según las decisiones de la octava Asamblea General de la Unión Astronómica Internacional (Roma, 1952), el segundo tiempo de la efímero (ET) es la fracción ${displaystyle {frac {12960276813}{408986496}times 10^{-9}$ del año tropical para 1900 Enero 0 a 12 h ET.	El segundo es la fracción ${displaystyle {frac {1}{31556925.9747}}$ del año tropical para 1900 Enero 0 a 12 horas tiempo de efímero.	1956 CIPM 11a CGPM 1960 Resolución 9
El estándar a emplear es la transición entre los niveles de hiperfino F=4, M=0 y F=3, M=0 del estado del suelo ${displaystyle ^{2}S_{1/2}$ del átomo de cesio 133, no perturbado por campos externos, y que la frecuencia de esta transición se asigna el valor 9192631770 hertz.	El segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinales del estado del suelo del cesio 133 atom	13a Resolución CGPM 1 CIPM 1967
Esta definición implica que el átomo de cesio está en reposo y no está perturbado. En consecuencia, en su realización práctica, las mediciones deben ser corregidas para la velocidad de los átomos con respecto al marco de referencia del reloj, para campos magnéticos y eléctricos, incluyendo la radiación ambiente del cuerpo negro, para efectos de cambio de giro y para otras posibles perturbaciones.	En su reunión de 1997, el CIPM afirmó que: Esta definición se refiere a un átomo de cesio en reposo a una temperatura de 0 K. Esta nota tenía la intención de aclarar que la definición del segundo SI se basa en un átomo Cs no perturbado por la radiación del cuerpo negro, es decir, en un ambiente cuya temperatura es de 0 K, y que las frecuencias de los estándares de frecuencia primaria deben ser corregidas por el cambio debido a la radiación ambiente, como se indicó en la reunión del CCTF en 1999.	a) Nota añadida por la 14a reunión del Comité Consultivo del Tiempo y la Frecuencia en 1999 se añadió la nota de pie de página en la 86a reunión (1997) del CIPM GCPM 1998 7a edición SI Folleto
La definición de una unidad se refiere a una situación idealizada que se puede alcanzar en la realización práctica sólo con cierta incertidumbre. En este espíritu, la definición del segundo debe entenderse como referencia a los átomos libres de cualquier perturbación, en reposo y en ausencia de campos eléctricos y magnéticos. Una futura redefinición de la segunda será justificada si estas condiciones idealizadas se pueden lograr mucho más fácil que con la definición actual. La definición del segundo debe entenderse como la definición de la unidad de tiempo adecuado: se aplica en un pequeño dominio espacial que comparte el movimiento del átomo de cesio utilizado para realizar la definición. En un laboratorio suficientemente pequeño para permitir que los efectos de la no-uniformidad del campo gravitacional sean descuidados en comparación con las incertidumbres de la realización del segundo, el segundo adecuado se obtiene después de la aplicación de la corrección relativista especial para la velocidad del átomo en el laboratorio. Es incorrecto corregir el campo gravitacional local.	El segundo, símbolo s, es la unidad de tiempo SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia cesio, Δ.Cs, la frecuencia de transición hiperfinada en el estado terrestre sin perturbar del átomo de cesio 133, a ser 9 192 631 770 cuando se expresa en la unidad Hz, que es igual a s−1. La referencia a un átomo no perturbado está destinada a aclarar que la definición del segundo SI se basa en un átomo de cesio aislado que no es perturbado por ningún campo externo, como la radiación ambiente del cuerpo negro. El segundo, tan definido, es la unidad de tiempo adecuado en el sentido de la teoría general de la relatividad. Para permitir la provisión de una escala de tiempo coordinada, se combinan las señales de diferentes relojes primarios en diferentes ubicaciones, que tienen que ser corregidos para cambios de frecuencia de cesio relativista (véase la sección 2.3.6). El CIPM ha adoptado varias representaciones secundarias del segundo, basadas en un número seleccionado de líneas espectrales de átomos, iones o moléculas. Las frecuencias no perturbidas de estas líneas se pueden determinar con una incertidumbre relativa no menor que la de la realización del segundo basado en la 133Cs frecuencia de transición hiperfina, pero algunos se pueden reproducir con estabilidad superior.	Definición actual resuelto en 2018 efectivo después de la 26a GCPM aprobó la redefinición mayo 20, 2019. SI Folleto 9

Redefinición futura

En 2022, la mejor realización del segundo se realiza con relojes estándar primarios de cesio como IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU–CsFO2 o SYRTE-FO2. Estos relojes funcionan enfriando con láser una nube de átomos de Cs a un microkelvin en una trampa magneto-óptica. Estos átomos fríos luego son lanzados verticalmente por luz láser. Luego, los átomos se someten a una excitación de Ramsey en una cavidad de microondas. Luego, la fracción de átomos excitados se detecta mediante rayos láser. Estos relojes tienen 5 ×10⁻¹⁶ incertidumbre sistemática, que equivale a 50 picosegundos por día. Un sistema de varias fuentes en todo el mundo contribuye al Tiempo Atómico Internacional. Estos relojes de cesio también respaldan las mediciones de frecuencia óptica.

Los relojes ópticos se basan en transiciones ópticas prohibidas en iones o átomos. Tienen frecuencias alrededor 10¹⁵Hz, con un ancho de línea natural ${displaystyle Delta f}$ de normalmente 1 Hz, por lo que el factor Q está a punto 10¹⁵, o incluso más alto. Tienen mejores condiciones que los relojes de microondas, lo que significa que pueden facilitar la evaluación de menor incertidumbre. También tienen una mejor resolución del tiempo, lo que significa que el reloj "pata" más rápido. Los relojes ópticos usan un solo ion, o una rejilla óptica con 10⁴–10⁶ átomos.

Constante de Rydberg

Una definición basada en la constante Rydberg implicaría fijar el valor a cierto valor: ${displaystyle R_{infty}={frac {m_{text{e}e^{4}{8varepsilon ¿Qué? {m_{text{e}calpha.$. La constante Rydberg describe los niveles de energía en un átomo de hidrógeno con la aproximación no relativista ${displaystyle E_{n}approx - ¿Qué? } {n^{2}}}$.

La única forma viable de corregir la constante de Rydberg consiste en atrapar y enfriar el hidrógeno. Esto es difícil porque es muy ligero y los átomos se mueven muy rápido, provocando cambios Doppler. La radiación necesaria para enfriar el hidrógeno, 121,5 nm, también es difícil. Otro obstáculo consiste en mejorar la incertidumbre en los cálculos QED.

Requisitos

Una redefinición debe incluir una mayor confiabilidad del reloj óptico. Los relojes ópticos deben contribuir al TAI antes de que el BIPM afirme una redefinición. Se debe desarrollar un método consistente de envío de señales antes de que se redefina el segundo, como la fibra óptica.

Múltiplos SI

Los prefijos SI se usan comúnmente para tiempos menores a un segundo, pero rara vez para múltiplos de un segundo. En cambio, se permite el uso de ciertas unidades ajenas al SI en el SI: minutos, horas, días y, en astronomía, años julianos.